桩基础组成与分类

子项6.1　桩基础组成与分类

桩基础是深基础应用最多的一种基础形式，它是由沉入土中的桩和连接桩顶的承台组成。桩基础的作用是将上部结构的荷载，通过较弱地层传至深部较坚硬的、压缩性小的土层或岩层。本子项主要讨论桩的概念、使用范围、桩的作用及施工工艺。

6.1.1　桩基础的概念、作用与适用范围

图6.1　桩基础的组成

如图6.1所示，桩基础由一根或数根单桩（也称基桩）和承台两个部分组成。在平面上桩可排列成一排或几排，桩顶由承台连接。桩基础的修筑方法是：先将桩设置于地基中，然后在桩顶处浇筑承台，将若干根桩连接成一个整体，构成了桩基础。最后在上面修建上部结构，如房屋建筑中的柱、墙或桥梁中的墩、台等。

桩基础的作用是将承台以上结构传来的荷载，通过承台将外荷载传至桩顶，再由桩传到较深的地基土层中去。其中承台不仅将外力传至桩顶，并箍

住桩顶形成整体共同承受外力。各桩的作用是将所承受的荷载通过桩侧土的摩阻力和桩端土的支承力，传至地基土层中去。

当地基上部软弱而在可能的设计桩长范围内埋藏有坚硬土层时，最适宜采用桩基础。桩基础如设计正确、施工得当，则它具有承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀、适用性强等特点。桩基础适宜在下列情况下采用：

①当建筑物荷载较大，采用天然地基时地基承载力不足时；或地基浅层土质差，采用换填或地基处理困难较大或经济上不合理时，采用桩基是较好的解决方案。

②即使天然地基承载力满足要求，但因采用天然地基时沉降量过大；或是建筑物较为重要，对沉降要求严格时。

③高耸建筑物或构筑物在水平力作用下为防止倾覆或产生较大倾斜时。

④为防止新建建筑物地基沉降对邻近建筑物产生相互影响，对新建建筑物可采用桩基，以避免这种危害。

⑤设有大吨位的重级工作制吊车的重型单层工业厂房，吊车载重量大，使用频繁，车间内设备平台多，基础密集，因而地基变形大，这时可采用桩基。

⑥精密设备基础安装和使用过程中对地基沉降及沉降速率有严格要求，动力机械基础对允许振幅有一定要求时。

⑦在地震区，采用桩穿过液化土层并深入下部密实稳定土层，可消除或减轻液化对建筑物的危害。

⑧已有建筑物加层、纠偏、基础托换时可采用桩基。

⑨水中建筑物如桥梁、码头、采油平台等，地下水位很高，采用其他基础形式施工困难时。

6.1.2　桩的分类与选型

根据桩体材料、使用功能、结构形式、施工方法、挤土效应和承台位置等的不同，桩可分为如下几大类型。

1）按桩体材料分类

（1）木桩

木桩是一种古老的桩基形式。常采用坚韧耐久的木材，如杉木、松木、橡木等。其桩径常采用160～360mm，桩长为4～10m。木桩制造简单、质量轻、运输和沉桩方便、造价低；但木桩承载力低，在干湿交替的环境中极易腐烂，使用寿命不长，现一般很少使用，仅在乡村小桥和一些临时应急工程中使用。

（2）钢筋混凝土桩

钢筋混凝土桩是目前工程上采用最广泛的桩。钢筋混凝土桩可承压、抗拔、抗弯，不受地下水水位和土质的限制，无颈缩等质量事故，安全可靠，成桩方法可采用工厂预制或现场预制后打入（或压入）、现场钻孔灌注混凝土等。截面形式有方桩、空心方桩、管桩、三角形桩等，近年来出现了截面为矩形、T形等的壁板桩，承载力很高。各种常见截面形式如图6.2所示。对管桩，常施加预应力形成预应力管桩，提高桩身抗裂能力，防止在起吊时的弯矩应力或采用锤击法成桩时桩身产生的锤击拉应力下开裂断桩。

图6.2　钢筋混凝土桩截面形式

（3）钢桩

常用钢桩有管状、宽翼工字形截面和板状截面等形式。其中钢管桩的直径一般为250～1200mm。钢桩具有穿透能力强、承载力高、自重轻、接桩方便、锤击沉桩效果好、施工质量稳定等优点；但也存在价格高、易锈蚀等不足。

（4）组合材料桩

组合材料桩是指一根桩由两种或两种以上材料组成的桩。它一般是为了降低造价，结合材料强度和地质条件，发挥材料特性而组合成的桩。例如钢管内填充混凝土，水位以下采用预制而桩上段多采用现场浇筑混凝土，中间为预制而外包灌注桩（水泥搅拌桩中插入型钢或预制小截面钢筋混凝土桩）等，一般应用于特殊地质环境及施工技术等情况。

2）按承载性状分类

作用在桩上的外荷载由桩侧摩阻力和桩端阻力共同承担。桩侧摩阻力和桩端阻力的分担比例主要受桩侧和桩端土的物理力学性质、桩的形式、桩与土的相对刚度及施工方法等因素的影响。根据摩阻力和桩端阻力占外荷载的比例大小，将桩基础分为摩擦型桩和端承型桩。

（1）摩擦型桩

摩擦型桩可分为以下两类：

①摩擦桩（图6.3（a））：在极限承载力状态下，桩顶荷载由桩侧阻力承受，桩端阻力很小可忽略不计，即纯摩擦桩。这种桩穿过的软弱土层较厚，桩端达不到坚硬土层或岩层上，桩顶的荷载主要靠桩身与土层之间的摩擦力来支承。

②端承摩擦桩（图6.3（b））：在极限承载力状态下，桩顶荷载主要由桩侧阻力承受，桩端阻力占的比例较小。例如，置于软塑状态黏性土中的长桩，桩端土为可塑状态的黏土，就是端承摩擦桩。

图6.3　不同支承类型的桩

（2）端承型桩

端承型桩可分为以下两类：

①端承桩（图6.3（c））：在极限承载力状态下，桩顶荷载由桩端阻力承受，桩侧阻力小到可忽略不计。较短的桩，桩端进入微风化或中等风化岩石时，为典型的端承桩。这种桩穿过上部软弱土层，直接将荷载传至坚硬土层或岩层上。

②摩擦端承桩（图6.3（d））：在极限承载力状态下，桩顶荷载主要由桩端阻力承受，桩侧摩擦力占的比例较小。

3）按桩的施工方法分类

（1）预制桩

由于是在打桩以前将桩身提前预制，因此桩身质量较容易保证。预制桩的沉桩施工主要有锤击、振动、静压等方法，当沉桩困难时，可采用预钻孔后再沉桩。由于锤击和振动沉桩产生噪声、振动等危害，近年来采用静力压桩的施工方法在城市中得到了较多的应用。静力压桩施工方法的优点是噪声小、无振动，在桩身内不产生锤击沉桩所产生的很大锤击应力，可以减小桩身配筋，降低工程造价。因此，静力压桩方法已广泛应用于软土地区的工业与民用建筑、湾港码头、水工围堰、地铁等工程的桩基施工。

当要求单桩承载力较高、持力层埋深较深而使桩长较长时，预制桩必须采用分成几节进行预制和沉桩。因此，当下节桩沉入土中，进行上节桩沉桩时，必须将上、下节桩连接起来。目前常用的接桩方法主要有焊接法、螺栓连接法和浆锚法。

（2）灌注桩

灌注桩为在建筑工地现场成孔，并在现场灌注混凝土制成的桩。灌注桩大体可分为沉管灌注桩和钻（冲、挖、抓）孔灌注桩两大类。同一类桩还可以按照施工机械和施工方法以及直径的不同予以细分。

①沉管灌注桩。沉管灌注桩早在20世纪30年代传入我国，该桩身不用预制可就地灌注，施工速度快，不产生泥浆，造价低于其他类型的灌注桩而应用较广。但其施工过程中的噪声和震动对环境产生影响，使其在城市建筑物密集地区的应用受到一定限制。沉管灌注桩可采用锤击振动、振动冲击等方法沉管成孔，其施工工序如图6.4所示。

图6.4　沉管灌注桩的施工工序示意图

锤击沉管灌注桩的常用直径（指预制桩尖的直径）为300～500mm，桩长在20m以内，可打至硬塑黏土层中或中、粗砂层。这种桩的施工设备简单，打桩速度快、成本低，但很容易产生缩径（桩身界面局部缩小）、断桩、局部夹土、混凝土离析和强度不足等质量问题。

振动沉管灌注桩的钢管底部带有活瓣桩尖（沉管时闭合，拔管时活瓣张开以便浇筑混凝土），或套上预制钢筋混凝土桩尖。桩横截面直径一般为400～500mm。

锤击、振动沉管施工时一般有单打、反插和复打法，根据土质情况和承载力要求进行选用。单打法适用于含水量较小的土层，且易采用预制桩尖；反插法及复打法适用于软弱饱和土层。单打法即一次拔管成桩，拔管时每提升0.5～1.0m，振动5～10s，再拔管0.5～1.0m，如此反复进行，直至全部拔除为止。为了扩大桩径（这时桩距不易太小）和防止在淤泥层中缩径或断桩，沉管灌注桩施工时可采用反插和复打工艺。复打法就是在浇筑混凝土并拔出钢管后，立即在原位重新放置预制桩尖（或闭合管端活瓣）再次沉管，并再次浇筑混凝土。复打后的桩，其横截面面积增大，承载力提高，但其造价也相应增加。反插法是将套管每提升0.5m，再下沉0.3m，反插深度不易大于活瓣桩尖长度的2／3，如此反复进行，直至拔除地面。反插法也可扩大桩径，提高承载力。

②钻（冲）孔灌注桩。各种钻孔桩在施工时都要把钻孔位置处的土排出地面，然后清除孔底残渣，安放钢筋笼，最后浇筑混凝土。

目前国内的钻（冲）孔灌注桩在钻进时不下钢筋套筒，而是利用泥浆护壁保护孔壁以防坍孔，清孔（排走孔底沉渣）后在水下灌注混凝土。常用桩径为600～1200mm等。更大直径1500～2800mm钻孔桩一般用钢套筒护壁，所用钻机具有回旋钻进、冲击、磨头磨碎岩石和扩大桩底等多种功能，钻进速度快，深度可达60m，能克服流砂、消除孤石等障碍，并能进入微风化硬质岩石。其最大优点在于能进入岩层，刚度大，因此承载力高而桩身变形很小。

③挖孔桩。挖孔桩可采用人工或机械挖掘成孔。人工挖孔桩施工时应降低地下水位，每挖深0.9～1.0m，就浇灌或喷射一圈钢筋混凝土护壁（上下圈之间用钢筋连接），达到所需深度时再进行扩孔，最后在护壁内安装钢筋笼或浇灌混凝土。

在挖孔桩施工中，由于工人下到钻孔中操作，可能遇到流砂、坍孔、有害气体、缺氧、触电和上面掉下重物等危险而造成伤亡事故。因此必须严格执行有关安全生产的规定。挖孔桩的孔深一般不宜超过25m，当桩长小于等于8m时，桩身直径不应小于0.8m；当桩长为8～15m时，桩身直径不应小于1m；当桩长为15～20m时，桩身直径不应小于1.2m；当桩身超过20m时，桩身直径应适当加大。挖孔桩的优点是：可直接观察地层情况，孔底易清除干净，设备简单，噪声小；场区各桩可同时施工，桩径大，适应性强，又较经济。

4）按承台的位置分类

桩基础按照承台的位置可分为高承台桩（也称高桩承台）基和低承台桩基（也称低桩承台）两种，如图6.1所示。通常将承台底面置于地面或局部冲刷线以下的桩基称为低承台桩基，如图6.1（a）所示；承台底面高出地面或局部冲刷线的桩基称为高承台桩基，如图6.1（b）所示。高承台桩基的位置较高，可减小墩台的圬工数量，施工较方便。然而在水平力的作用下，由于承台及部分桩身露出地面或局部冲刷线，减少了承台及自由段桩身侧面的土抗力，桩身的内力和位移都将大于低承台桩基，在稳定性方面也不如低承台桩基。

当常年有水、冲刷较深，或地下水位较深、施工时不易排水时，常采用高承台桩基方案。另外，对于受水平力较小的小跨度桥梁，选用高桩承台很可能是较为合理的方案。位于旱地、浅水滩或季节性河流的墩台，当冲刷不深，施工排水不太困难时，选用低承台方案，有利于提高基础的稳定性。

5）按桩轴方向分类

若按桩轴方向分类可分为竖直桩和斜桩，如图6.5所示。一般来说，竖直桩能承受的水平力较小，当水平外力和弯矩不大，桩不长或桩身直径较大时，可采用竖直桩，相应的桩基称为竖直桩桩基。反之，当水平外力较大且方向不变时，可采用单向斜桩；当水平外力较大且由于活载关系致使水平外力在两个方向都可能同时作用时，则可采用多向斜桩桩基。由于施工技术上的原因，目前钻（挖）孔灌注桩通常设计为竖直桩。

图6.5　不同桩轴方向的桩

6）按成桩的直径分类

《建筑桩基规范》按成桩直径大小，将桩分为小直径桩、中等直径桩和大直径桩三类。

（1）小直径桩

小直径桩指桩径d≤250mm、长径比l／d较大的桩，如树根桩。小桩具有施工空间要求小、对原有建筑基础影响小、施工方便、可在任何土层中成桩，并能穿越原有基础等特点而在地基换托、支护结构、抗浮、多层住宅地基处理等工程中得到了广泛应用。

（2）中等直径桩

即普通桩，桩径为250mm＜d＜800mm的桩。这种桩长期在工业与民用建筑中大量使用，其成桩方法和工艺很多。

（3）大直径桩

大直径桩指桩径d≥800mm的桩，在设计中应考虑桩的挤土效应和尺寸效应，此类桩大多数为端承桩。

7）按成桩分类

随着桩的设置方式不同，桩孔处的排土量和桩周土体所受到的排挤及扰动程度也会不同，这将直接造成土体的天然结构、应力状态和性质的变化，从而影响到桩的承载能力、成桩质量与对环境的影响等。按成桩过程中是否产生挤土效应可分为下列三种：

（1）挤土桩

在成桩过程中，桩孔中的土未取出，造成大量挤土，使桩周土体受到严重扰动（重塑或土粒重新排列），土的工程性质有很大改变。如采用打入、静压和振动等成桩方法的实心预制桩、下端封闭的管桩和沉管灌注桩等。成桩过程中的挤土效应主要是地面隆起和土体侧移，对预制桩可能会造成桩的侧移、倾斜、上抬等质量事故，对灌注桩还可能造成断桩和缩径等。

（2）部分挤土桩

在成桩过程中，对周围土体引起部分挤土效应，桩周土体受到一定程度的扰动。一般底端开口的钢管桩、H型钢桩、冲孔灌注桩和开口薄壁预应力钢筋混凝土桩等属于部分挤土桩。

（3）非挤土桩

采用钻孔或挖孔方式，在成孔过程中将孔中土清除，故没有产生设桩时的排挤土作用。一般现场灌注的钻、挖孔桩或先钻孔再打入的预制桩属于非挤土桩。